一种大尺寸金属夹层结构的自动激光焊接装置

1.本发明属于激光焊接技术领域，尤其涉及一种大尺寸金属夹层结构的自动激光焊接装置。


背景技术：

2.金属夹层结构是由两块高强度的上下蒙皮和充填其中的夹芯结构组成，当夹芯板弯曲时，上下蒙皮分别承受拉伸载荷与压缩载荷，此时芯子传递剪切载荷。与实心结构相比，可以在相同的质量下达到较高的比刚度和比强度，可以在较小的质量代价下满足力学性能要求，是一种高效结构材料。在航空航天、船舶、高铁、建筑、汽车等多个军用及民用领域具有广阔的应用前景。
3.现有金属结构制备方法有钎焊、熔模铸造、挤压成形、切割等，这些制造方法对设备的依赖性较强，难以实现大尺寸复杂点阵夹层结构的制造。激光焊接具有优异的穿透性，是实现大尺寸复杂点阵夹层结构理想制造工艺方法。
4.激光焊接机器人自动化程度高，焊接工艺简单，操作方便，由于聚焦光斑小，焊缝定位精度高，光束传输和操作方便，无需频繁更换焊枪和喷嘴，大大减少了时间。非接触式操作方式，满足洁净环保要求。能量来自激光，与工件没有物理接触，因此不会对工件施加力。生产效率高，成品工件外形美观，焊缝小，焊接深度大，焊接质量高。
5.当前激光焊接金属夹层结构存在着许多问题：
6.1、手工操作进行划线操作，人工判断易出错，划线的位置与芯子所在的位置存在误差，准确率低；
7.2、无法判断面板与芯子之间的间隙量，导致焊接存在间隙；
8.3、无法判断芯子的弯曲状况，导致焊接存在漏焊；
9.4、一些体积较大的材料无法实现全方位的固定焊接，造成了体积较大的材料进行激光焊接时的效果较差，并且由于该缺点的存在，造成了较大的材料进行焊接时无法进行高效准确的焊接，使实际加工可靠程度以及精确度降低。这些问题易造成芯子与面板之间存在间隙和漏焊，无法保证夹层结构的加工可靠性和强度要求。


技术实现要素：

10.本发明的目的是提供一种大尺寸金属夹层结构的自动激光焊接装置，以解决上述问题，达到有效提高焊接精度和质量的目的。
11.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种大尺寸金属夹层结构的自动激光焊接装置,包括底部工装与机器人摇臂，所述底部工装的顶面放置有下面板，所述底部工装的顶面设置有第一限位机构，所述下面板的相对两侧通过所述第一限位机构限位，所述底部工装的顶面从下至上依次设置有第二限位机构、上面板与第三限位机构，所述第二限位机构内夹持有若干芯子，通过所述第二限位机构限位将若干所述芯子接触设置在所述下面板的顶面，所述上面板通过所述第三限位机构限位在若干所述芯子上，所述第三限位机构
连接在所述第二限位机构上方，所述机器人摇臂位于所述底部工装的一侧，所述机器人摇臂的一端连接有焊接机构，所述焊接机构的焊接端穿过所述第三限位机构与所述上面板的顶面对应设置，所述焊接机构的焊接端能够根据所述上面板的平整度自行调节。
12.优选的，所述第一限位机构包括若干磁吸底座、若干三轴液压缸与两组侧限位块，若干所述磁吸底座与若干所述三轴液压缸分别固定连接在所述底部工装的顶面，两组所述侧限位块分别固定连接在若干所述磁吸底座与若干所述三轴液压缸的相对侧，两组所述侧限位块抵接在所述下面板的相对侧上。
13.优选的，所述第二限位机构包括两组芯子限位块支架、对称设置在两组所述芯子限位块支架背离侧的若干液压顶杆、设置在两组所述芯子限位块支架相对侧上的距离调节单元，所述距离调节单元夹持若干所述芯子，若干所述液压顶杆的固定端分别固定连接在所述底部工装的顶面，两组所述芯子限位块支架的背离侧分别固定连接在若干所述液压顶杆的伸缩端。
14.优选的，所述距离调节单元包括若干芯子限位块两组第一条形通槽与若干紧固螺栓，两组所述第一条形通槽分别对应开设在两组所述芯子限位块支架上，若干所述芯子限位块分别沿所述第一条形通槽滑动连接在两组所述芯子限位块支架的相对侧上，若干所述紧固螺栓的螺杆穿过所述第一条形通槽且还与若干所述芯子限位块螺纹连接，所述芯子夹持在相邻所述芯子限位块之间。
15.优选的，相邻所述芯子限位块之间形成凹槽，相邻所述凹槽关于所述芯子限位块对称设置，两组所述芯子限位块支架上的若干所述凹槽对应设置。
16.优选的，所述第三限位机构包括两组u形槽钢与若干组多点约束架，两组u形槽钢分别固定连接在若干所述液压顶杆的上方，两组所述u形槽钢位于上面板的两侧，若干所述多点约束架固定连接在两组所述u形槽钢之间，其中一组所述u形槽钢上连接有吹水装置，所述吹水装置的出口与所述上面板顶面对应设置，每一所述多点约束架内的相对侧分别开设有多点约束固定槽，每一组所述多点约束固定槽的底壁上等间距固定连接有若干多点约束液压缸，若干所述多点约束液压缸的多点约束液压缸顶杆穿过所述多点约束固定槽与所述上面板顶面对应设置，所述焊接机构的焊接端位于两组所述多点约束架之间且与所述上面板的顶面对应设置。
17.优选的，所述多点约束架底部开设有若干第二条形通槽，若干所述第二条形通槽与若干所述芯子的侧边对应设置，所述焊接机构的焊接端穿过任一所述第二条形通槽与所述上面板对应设置。
18.优选的，所述焊接机构包括支架总成，所述支架总成上固定连接在所述机器人摇臂的焊接端，所述支架总成上固定连接有超声波探头组件与两组激光焊接头，两组所述激光焊接头位于所述超声波探头组件的两侧，两组所述激光焊接头的焊接端靠近所述超声波探头组件倾斜设置。
19.优选的，所述支架总成包括多工位头架，所述多工位头架固定连接在所述机器人摇臂的焊接端，所述多工位头架上转动连接有丝杠，所述多工位头架上固定连接有多工位架固定板，所述超声波探头组件固定连接在所述多工位架固定板上，所述多工位头架上滑动连接有两组滑块，两组所述滑块位于所述多工位架固定板的两侧，所述丝杠穿过两组所述滑块，两组所述激光焊接头分别通过转向盘固定连接在两组所述滑块上。
20.优选的，所述超声波探头组件包括竖向设置的超声波探头移动气缸，所述超声波探头移动气缸的一端通过所述超声波探头固定架固定连接在所述多工位架固定板上，所述超声波探头移动气缸的底端竖向滑动连接有超声波探头，所述超声波探头的顶端与所述超声波探头移动气缸的底端之间固定接有弹簧，所述超声波探头的底端滚动配合有橡胶滚子，所述超声波探头移动气缸一侧连接有滴水管，所述滴水管的出口与所述超声波探头的底端对应设置。
21.本发明具有如下技术：第一限位机构的主要作用是将下面板限制在底部工装上，第二限位机构的主要作用是夹持若干芯子，使若干芯子与下面板对应，第三限位机构的主要作用是限制上面板，进一步调整上面板与若干芯子之间的间隙，从而满足焊接质量和要求；焊接机构检测芯子在上面板下的的位置，通过算法计算形成路径，对弯曲部分也能进行路径调整，取代手工划线的操作，形成的路径与芯子所在位置无误差，减少了漏焊。第三限位机构限制上面板后，利用全息c扫描技术根据焊接机构检测出来的芯子与上面板之间的间隙量，调整第三限位机构，减小了上面板与芯子之间的间隙，降低了因间隙导致的强度不足问题。第一、第二、第三限位机构对体积较大的材料进行全方位固定焊接，增强了整体结构在焊接时的稳定性，满足了实际加工可靠程度以及精确度要求；焊接机构的焊接端能够根据上面板顶面的凹凸情况自行调节，有效避免焊接端与上面板顶面发生运动干涉。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明整体结构示意图；
24.图2为本发明整体轴测示意图；
25.图3为图2中的a局部放大图；
26.图4为本发明芯子限位块支架结构示意图；
27.图5为本发明下面板安装状态示意图；
28.图6为本发明预装夹结构俯视示意图；
29.图7为本发明预装夹剖视示意图；
30.图8为本发明多工位头架结构示意图；
31.图9为本发明超声波探头组件结构示意图；
32.图10为本发明多工位头架焊接结构示意图；
33.图11为本发明焊接工艺路线图；
34.其中，1、机器人摇臂；2、多工位头架；3、激光焊接头；4、超声波探头组件；5、底部工装；6、液压顶杆；7、u形槽钢；8、芯子限位块支架；9、芯子限位块；10、多点约束架；11、多点约束固定槽；12、多点约束液压缸；13、多点约束液压缸顶杆；14、上面板；15、芯子；16、下面板；17、三轴液压缸；18、侧限位块；19、多工位架固定板；20、丝杠；21、滑块；22、转向盘；23、超声波探头移动气缸；24、超声波探头固定架；25、弹簧；26、超声波探头；27、滴水管；28、橡胶滚子；29、吹水装置；30、磁吸底座。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
37.参照图1-11所示，本发明提供了一种大尺寸金属夹层结构的自动激光焊接装置,包括底部工装5与机器人摇臂1，底部工装5的顶面放置有下面板16，底部工装5的顶面设置有第一限位机构，下面板16的相对两侧通过第一限位机构限位，底部工装5的顶面从下至上依次设置有第二限位机构、上面板14与第三限位机构，第二限位机构内夹持有若干芯子15，通过第二限位机构限位将若干芯子15接触设置在下面板16的顶面，上面板14通过第三限位机构限位在若干芯子15上，第三限位机构连接在第二限位机构上方，机器人摇臂1位于底部工装5的一侧，机器人摇臂1的一端连接有焊接机构，焊接机构的焊接端穿过第三限位机构与上面板14的顶面对应设置，焊接机构的焊接端能够根据上面板14的平整度自行调节。
38.第一限位机构的主要作用是将下面板16限制在底部工装5上，第二限位机构的主要作用是夹持若干芯子15，使若干芯子15与下面板16对应，第三限位机构的主要作用是限制上面板14，进一步调整上面板14与若干芯子15之间的间隙，从而满足焊接质量和要求；焊接机构检测芯子15在上面板14下的的位置，通过算法计算形成路径，对弯曲部分也能进行路径调整，取代手工划线的操作，形成的路径与芯子15所在位置无误差，减少了漏焊。第三限位机构限制上面板14后，利用全息c扫描技术根据焊接机构检测出来的芯子15与上面板14之间的间隙量，调整第三限位机构，减小了上面板14与芯子15之间的间隙，降低了因间隙导致的强度不足问题。第一、第二、第三限位机构对体积较大的材料进行全方位固定焊接，增强了整体结构在焊接时的稳定性，满足了实际加工可靠程度以及精确度要求。
39.焊接机构的焊接端能够根据上面板14顶面的凹凸情况自行调节，有效避免焊接端与上面板14顶面发生运动干涉。
40.进一步优化方案，第一限位机构包括若干磁吸底座30、若干三轴液压缸17与两组侧限位块18，若干磁吸底座30与若干三轴液压缸17分别固定连接在底部工装5的顶面，两组侧限位块18分别固定连接在若干磁吸底座30与若干三轴液压缸17的相对侧，两组侧限位块18抵接在下面板16的相对侧上。
41.进一步优化方案，第二限位机构包括两组芯子限位块支架8、对称设置在两组芯子限位块支架8背离侧的若干液压顶杆6、设置在两组芯子限位块支架8相对侧上的距离调节单元，距离调节单元夹持若干芯子15，若干液压顶杆6的固定端分别固定连接在底部工装5的顶面，两组芯子限位块支架8的背离侧分别固定连接在若干液压顶杆6的伸缩端。
42.进一步优化方案，距离调节单元包括若干芯子限位块9两组第一条形通槽与若干紧固螺栓，两组第一条形通槽分别对应开设在两组芯子限位块支架8上，若干芯子限位块9分别沿第一条形通槽滑动连接在两组芯子限位块支架8的相对侧上，若干紧固螺栓的螺杆穿过第一条形通槽且还与若干芯子限位块9螺纹连接，芯子15夹持在相邻芯子限位块9之间。
43.进一步优化方案，相邻芯子限位块9之间形成凹槽，相邻凹槽关于芯子限位块9对称设置，两组芯子限位块支架8上的若干凹槽对应设置。
44.进一步优化方案，第三限位机构包括两组u形槽钢7与若干组多点约束架10，两组u形槽钢7分别固定连接在若干液压顶杆6的上方，两组u形槽钢7位于上面板14的两侧，若干多点约束架10固定连接在两组u形槽钢7之间，其中一组u形槽钢7上连接有吹水装置29，吹水装置29的出口与上面板14顶面对应设置，每一多点约束架10内的相对侧分别开设有多点约束固定槽11，每一组多点约束固定槽11的底壁上等间距固定连接有若干多点约束液压缸12，若干多点约束液压缸12的多点约束液压缸顶杆13穿过多点约束固定槽11与上面板14顶面对应设置，焊接机构的焊接端位于两组多点约束架10之间且与上面板14的顶面对应设置。
45.进一步优化方案，多点约束架10底部开设有若干第二条形通槽，若干第二条形通槽与若干芯子15的侧边对应设置，焊接机构的焊接端穿过任一第二条形通槽与上面板14对应设置。
46.进一步优化方案，焊接机构包括支架总成，支架总成上固定连接在机器人摇臂1的焊接端，支架总成上固定连接有超声波探头组件4与两组激光焊接头3，两组激光焊接头3位于超声波探头组件4的两侧，两组激光焊接头3的焊接端靠近超声波探头组件4倾斜设置。
47.超声波探头组件4检测芯子15在上面板14下的的位置，通过算法计算形成路径，对弯曲部分也能进行路径调整，取代手工划线的操作，形成的路径与芯子15所在位置无误差，减少了漏焊。
48.第三限位机构限制上面板14后，利用全息c扫描技术根据超声波探头组件4检测出来的芯子15与上面板14之间的间隙量，调整多点约束液压缸12伸出端长度，减小了上面板14与芯子15之间的间隙，降低了因间隙导致的强度不足问题。
49.进一步优化方案，支架总成包括多工位头架2，多工位头架2固定连接在机器人摇臂1的焊接端，多工位头架2上转动连接有丝杠20，多工位头架2上固定连接有多工位架固定板19，超声波探头组件4固定连接在多工位架固定板19上，多工位头架2上滑动连接有两组滑块21，两组滑块21位于多工位架固定板19的两侧，丝杠20穿过两组滑块21，两组激光焊接头3分别通过转向盘22固定连接在两组滑块21上。
50.进一步优化方案，超声波探头组件4包括竖向设置的超声波探头移动气缸23，超声波探头移动气缸23的一端通过超声波探头固定架24固定连接在多工位架固定板19上，超声波探头移动气缸23的底端竖向滑动连接有超声波探头26，超声波探头26的顶端与超声波探头移动气缸23的底端之间固定接有弹簧25，超声波探头26的底端滚动配合有橡胶滚子28，超声波探头移动气缸23一侧连接有滴水管27，滴水管27的出口与超声波探头26的底端对应设置。
51.弹簧25具有柔性补偿的作用，当超声波探头26移动过低时弹簧25被压缩，可以预防超声波探头26损坏；当上面板14凹凸不平的时候，弹簧25也可以施加一定的力使探头26始终紧贴上面板14，得到良好的检测效果；橡胶滚子28代替传统陶瓷安装在超声波探头26尖端可以增加超声波的透射；u型槽钢7上装有吹水装置29，当检测结束后将水吹净，避免上面板14上锈影响整体结构的强度。检测结束后通过算法分析检测结果，多点约束液压缸12通过算法检测结果所分配的力施加不同液压带动不同位置多点约束液压缸顶杆13移动压
缩上面板14如图6所示。焊接系统如图10所示，多工位头架2的转向盘22可以带动激光焊接头3转动角度，达到双光路同时焊接的目的，当要用单光路焊接时，丝杠20带动滑块21平移使得激光焊接头3移动至超声波探头26的位置，转向盘22转动带动激光焊接头3转动竖直向下。多工位头架2的一侧固定连接有电机(图中未显示)，电机的输出轴与丝杠20同轴心固定连接，电机由于驱动丝杠20。
52.进一步优化方案，机器人摇臂1采用现有的机器人结构和运行系统、控制过程，在此不做详细赘述。
53.本实施例的工作过程如下：芯子15安装示意图如图5所示，将底部工装5通过螺栓固定，锁紧液压顶杆6下部的锁扣。将下面板16放置在底部工装5上，将侧限位块18贴紧下面板16边缘并用磁吸底座30固定一边的纵向位置，然后将三轴液压缸17用锁扣固定在下面板16另一侧。将液压顶杆6移动至芯子限位块9，芯子限位块支架8放置在下面板16上。由于芯子限位块支架8如图4所示开有第一条形通槽，移动连接芯子限位块9的螺栓可以适配于不同厚度的芯子15，也可以更换不同形状的芯子限位块9调整芯子15角度以焊接不同尺寸的夹层结构。固定好芯子限位块9的位置后，将芯子15按照芯子限位块9相对应的凹槽放入。初步预紧示意图如图6所示，芯子15放入芯子限位块9相对应的凹槽后盖上上面板14，通过操纵程序对液压顶杆6施加液压，待芯子限位块支架8接触到上面板14边缘，多点约束架10接触到上面板14时压力传感器发出信号停止液压顶杆6移动。程序对多点约束液压缸12施加压力待到多点约束液压缸顶杆13接触到上面板14时停止。实现整体工装的初步预紧如图6所示。
54.初步预紧后将多工位头架2如图8所示的操纵对象切换为超声波探头26，操纵程序让机器人摇臂1移动使超声波探头26接触到上面板14，由于超声波探头26如图9所示连接有弹簧25，具有柔性补偿，当距离移动过低时弹簧25被压缩，可以预防超声波探头26损坏。当上面板14凹凸不平的时候，弹簧25也可以施加一定的力使探头紧贴上面板14，得到良好的检测效果。当检测时操纵程序打开滴水管27阀门，使水流经水管滴落到上面板14上。超声波探头26随机器人摇臂1移动检测时产生移动，带动橡胶滚子28转动，使水均匀涂抹在超声波探头26移动路径上，然后当检测结束后吹水装置29启动，将上面板14表面的水吹净，防止上面板14生锈而影响整体结构的强度。因为本发明采用全息c扫描技术，可以生成任意深度的被检工件投影面状况。超声波探头26移动时可以扫描芯子15的边缘位置和芯子15与面板的间隙量，然后通过算法计算在系统里生成整道路径的间隙还有偏移图像。
55.初次预检测扫描结束以后，通过算法分析预检测得出的边缘位置还有上面板14与芯子15的间隙量，对多点约束架10上的多点液压缸12如图3所示分别施加不同的压力，多点约束液压缸顶杆13对上面板14不同的位置施加不同大小的力以补偿检测到的间隙量。
56.多点约束液压缸顶杆13施加完载荷以后，再次对焊接区域进行全息c扫描，获取多点约束工装修正过以后的上面板14与芯子15的间隙。根据算法得出的结果判断是否符合焊接大尺寸夹层结构所要求的间隙阈值。如果不满足要求的话，通过算法再次对多点约束工装的预紧力再次重新分布加载在上面板14上，然后再次检测判断。若满足间隙阈值的要求，通过超声波探头移动气缸23将超声波探头26收回，同时关闭滴水管27阀门，切换多工位架2为激光焊接头3。
57.焊接时，激光焊接头3如图10所示，若采用双路激光焊接，按照全息c扫描得出来的
芯子15边缘位置信息，程序操纵电机转动转向盘22，使激光焊接头3转动角度，自动对点并调整焊接头高度达到离焦量，开始焊接后按照全息c扫描得出的边缘信息对焊接路径进行不断优化，让焊接位置随着芯子的位置变化而移动，不产生漏焊。
58.若采用单路激光焊接，程序操纵电机带动丝杠20转动，丝杠20带动滑块21平移使得激光焊接头3移动至超声波探头26的位置，然后转动转向盘22使激光焊接头3竖直向下，按照全息c扫描得出来的芯子15边缘信息位置自动对点并调整激光焊接头3高度达到离焦量，开始焊接后按照全息c扫描得出的边缘信息对焊接路径进行不断优化，让焊接位置随着芯子15的位置变化而移动，不产生漏焊。
59.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
60.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。